DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.044

风障对桥上高速列车气动特性影响的风洞试验

张佳文¹，郭文华^{1, 2}，熊安平¹，项超群¹，王嘉奇¹

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：为考虑侧风作用下风障对桥上高速列车气动特性的影响，以高速列车与双线简支箱梁桥为原型，自主研制了缩尺比为1:20的风障-车-桥模型风洞试验模型装置。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力。分析风速、列车位于桥梁的横向位置、不同风障高度与透风率、风偏角对高速列车气动系数的影响，最后以静力轮重减载率作为风障防风效果评价指标，给出风障气动选型参数建议值。研究结果表明：雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限；桥梁上设置风障可明显减小列车所受气动力；列车位于迎风侧线路时运行时所受气动荷载较大；随着风障高度的增大，列车气动力系数减小；当风障增加到某一高度后列车气动系数基本不再随风障高度变化，但随着透风率增大而增大；当风偏角小于等于20°时，高度为4 m，透风率为0%风障的挡风效果较好，而当风偏角大于20°时，高度为4 m，透风率为30%风障的挡风效果较优。研究结论可为实际工程中风障气动选型提供参考。

关键词：风障；侧风；高速列车；风洞试验；气动力系数；高度；透风率

中图分类号：TU393.3             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)10-3888-10

Experiment study on the effect of wind barrier on aerodynamic characteristics of high-speed train on bridge

ZHANG Jiawen¹, GUO Wenhua^{1, 2}, XIONG Anping¹, XIANG Chaoqun¹, WANG Jiaqi¹

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction,

Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: In order to investigate the effects of wind barrier vehicle on the aerodynamic characteristics of a vehicle-bridge system under crosswind, a high-speed train model and simple support bridge with double lines were designed to measure the aerodynamic forces acting on the vehicles and bridge by a self-developed wind tunnel test model with a scale of 1:20. The aerodynamic force coefficients of head train, middle train, and rear train of high-speed train were tested. Wind speed, laterally relative position of vehicle and bridge, the height and ventilation of the wind barrier, and yaw angle were investigated to demonstrate their effects on aerodynamic force coefficients of vehicles on bridge. Based on the criteria of static percent of wheel load, the optimal aerodynamic parameters of wind barriers were selected accordingly. The results show that the impact of Reynolds number on vehicle-bridge system is limited; the bridge structure arranged on the wind barrier can obviously reduce the train for the aerodynamic force; the train running in windward is greater than that in leeward; aerodynamic force coefficients of the train tend to increase with the increase of height of wind barrier, and when wind barrier is high enough, it has no influence on the aerodynamic forces, but the coefficients of the train increase with the increase of wind ventilation; when the yaw angle is below or equal to 20°, the bridge is provided with 4 m and 0% ventilation rate wind barrier structure is good, but when the yaw angle is greater than 20°, the performance of 4 m and 30% ventilation rate, wind barrier structure is the most reasonable. The research conclusion can guide significance and reference value in selecting the concrete wind barrier parameters.

Key words: wind barrier; crosswind; high-speed train; wind tunnel test; aerodynamic force coefficients; height; ventilation rate

随着我国第六次铁路大提速和高速铁路的大规模建设，铁路桥梁在全部线路中所占比重越来越大。与常规地面运行环境区别较大，铁路桥梁桥面高程一般较高，在桥上行驶的高速列车受到风的作用也更大。其次，高速列车采用大型中空铝合金型材料或不锈钢薄筒型轻量化结构，自身结构轻柔，加之运行速度高，侧风对高速列车的影响更加明显。已有研究表明^[1]：风障是改善高速列车在桥梁风环境中行车安全问题的一种有效途径，沿线路一侧或两侧设置风障为高速列车创造一个相对低风速的局部运行环境，可显著提高高速列车的临界车速。由于风障造型的多样性，从中优选哪种安全、经济、实用的方案至今还没有成熟的理论来指导，因此确定风障的结构参数与桥上高速列车所受气动力规律是十分必要的。目前针对铁路桥梁上轻型风障的风洞试验研究较少，国内、外研究主要集中在公路桥梁上的轻型风障与铁路路堤上的重型挡风墙方面。阮欣等^[2]提出了杭州湾跨海大桥设置风障必要性的风险评估方法和风障方案优选风险评估方法；英国Flint&Neill公司采用节段模型研究了在塞文桥桥塔附近安装不同形状和高度的风障的效果，同时在车辆模型上挑选不同点来测量造成其倾覆的风速^[3]；Charuvisit等^[4-5]通过风洞试验分析了车速、风速以及风障对车辆通过桥塔尾流区时车辆所受的风速和气动力沿车辆行驶方向分布的影响；王厚雄等^[6]以高路堤上单线铁路为研究对象，利用风洞试验研究了高路堤及单侧挡风墙对大风特性和车辆横风气动特性的影响；刘贤万等^[7]通过风洞试验研究高路堤上的单侧挡风墙及其流场分布；日本铁路对线路构造形式、风障、车辆等组合进行了一系列风洞试验，研究认为风障的减风效果依赖风障高度和透风率的影响^[8]；向活跃等^[9]通过风洞试验测试了不同开孔形式风屏障作用下车辆的气动力系数，分析了风屏障的孔径和开孔形状对车辆气动特性的影响，讨论了圆孔形风屏障与纵条形风屏障的相似性。唐煜^[10]通过挡风屏-列车-桥系统的风洞节段模型试验研究了不同高度、不同透风率挡风屏对列车气动力系数的影响；梅群峰^[11]和权晓 亮^[12]在唐煜^[10]的基础上通过1:8大比例挡风屏-列车-桥系统的整体模型风洞测试了列车中车气动力系数，头车和尾车仅为气动补偿段。风障结构造型有2种：直线型与曲线型。高速铁路中小跨度桥梁风障的设置常用直线型^[13]。典型的风障设计为纵横相间的栏杆或多孔板，已有风洞试验显示风障的孔隙形式对风场的影响不明显^[13]，高度与透风率才是决定风障挡风效率的根本参数。风障高度应视实车高度(一般在3.5~4.0 m之间)而定，风障越高越不经济且增加桥梁自身荷载。在铁路桥梁上多采用有一定透风率的双侧风障。已有分析表明^[11]：考虑桥梁自身的安全性，带有一定的透风率，将更合理。根据已有的关于透风率研究发现：当透风率为10%~20%时风障的挡风效率高达75%~90%(即风速降低到无风障时的10%~25%)^[14]，但它对整个桥梁带来了很大的气动阻力荷载，并且可能引起桥梁动力稳定性的下降。透风率在40%~50%之间的风障既能够提供足够的挡风效率，又限制了气动阻力的增幅和稳定性的下降^[15-16]。现有的考虑风障的风洞试验研究多采用常规缩尺比(1:45左右)节段模型。节段模型无法真实反映风障-车-桥梁间的三维绕流特性，忽略风沿结构展向变化的影响^[17]。其次，常用缩尺比较小对列车与桥梁细节模拟得不够精细且不符合实际情况，导致测定的列车升力难以反映真实情况。可能导致试验结果与实际风障-车-桥系统所受风荷载出入较大，从而导致对真实高速列车气动性能的误判，造成防风措施无效或经济上浪费，因此应开展大缩尺比风障-车-桥整体模型(通常为1:15~1:20)风洞试验，并考虑车辆在不同编组位置时的影响。本文作者自主研制缩尺比为1:20的风障-车-桥组合整体模型试验装置，分别采用高速列车的三车模型与三跨双线简支箱梁模型，严格模拟高速列车外型，风障可任意调整高度与透风率等结构参数，测试桥上高速列车头车、中车及尾车的气动参数，讨论风速、车辆在桥面横向相对位置、风障高度与透风率、风偏角对高速列车气动特性的影响，以静力轮重减载率评价风障的防风效果进而选择合理的风障气动参数，为风障气动参数与列车气动力关系的确定提供参考依据。

1  风障-车-桥模型试验装置

本文的风洞试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室风洞实验室低速试验段进行，风速范围为0~18 m/s，该试验段宽为12 m、高为3.5 m、长为18 m，中间为直径5 m、可旋转360°的转盘，转盘中心距试验段来流方向前缘12 m，距来流方向后缘6 m。综合考虑风障、桥梁与列车的几何尺寸、风洞阻塞比的影响及车辆和桥梁间的气动相互作用，试验模型采用1:20的几何缩尺比例加工制作，模型列车的外形复杂程度与实车相同，其中头(尾)车长为1.225 m，中车长为1.25 m。桥梁模型总长为4.8 m。图1所示为列车模型与桥梁模型横截面尺寸。

风障模型为直线型风障且为可拆卸结构，可进行不同高度和不同透风率的若干工况的模型试验。风障采用一系列分布均匀的细长叶片来模拟风障，叶片采用轻质高强塑料，箱梁两侧一共布置18段风障，由3根立柱将每段风障固定在箱梁上，立柱采用轻质钢材，可以确保风障受侧风作用时具有良好的稳定性能。风障的透风率主要取决于叶片和垫片的尺寸与数量，试验中通过减少叶片增加垫片的数量来增大透风率，反之透风率减小。叶片和垫片厚度为1.0 cm和0.5 cm2种规格。

图1  横截面尺寸

Fig. 1  Cross section size

2  试验内容

2.1  测试工况

表1所示为风障气动选型试验工况。为了研究不同高度、不同透风率的风障对桥上高速列车气动力的遮挡效果，先初步选定一个合理的风障参数(见表1)，研究这9种风障工况对列车气动性能的影响。

表1  风障气动选型试验工况

Table 1  Condition of aerodynamic parameter of wind barrier

在风洞试验中，通过360°旋转的转盘可方便模拟风偏角、列车在桥面横向位置的影响。风偏角分别为0°，10°，20°，30°，40°，60°和90°，列车分别处于迎风侧线路、背风侧线路。在以上12个子工况下测试了列车模型的头车、中车、尾车的气动力。

2.2  测试仪器

本文试验采用JR3动态六分量应变天平测试列车的气动力，其x和y方向力的量程F_x和F_y均为0~100 N，z方向力的量程F_z为0~200 N，绕x，y和z轴的力矩M_x，M_y和M_z的量程为0~7 N·m。在转盘转动过程中，测力天平不会与车体发生相对转动。天平信号经放大后由计算机数据分析软件采集。为提高测试数据的稳定性与可靠性、尽量消除外界干扰的影响，每次测试之间间隔时间1 min。采集系统由1个通道组成，设定每次数据采集时间为30 s，采样频率为2 000 Hz。为了保证试验数据的准确性及提高试验效率，对每一工况进行2次测试，将2次试验结果的平均值作为该工况的最终取值。

3  数据处理气动力系数定义

图2所示为列车气动力六分力气动力示意图。侧风作用下高速列车主要受6个气动力的作用^[18]，即侧力F_X、阻力F_Y、升力F_Z、俯仰力矩M_X、侧倾力矩M_Y和侧偏力矩M_Z。

图2  列车气动力六分力气动力示意图

Fig. 2  Aerodynamic force of train

列车六分力系数为风偏角β(即来流速度矢量与列车纵向中心线之间的夹角，X-Y平面内)的函数。在体轴坐标系下，列车六分力系数定义^[19]如下。

侧力系数：

          (1)

阻力系数：

          (2)

升力系数：

          (3)

仰俯力矩系数：

         (4)

侧倾力矩系数：

         (5)

侧偏力矩系数：

         (6)

式中：U为合成风速，即风洞试验时试验风速；ρ为空气密度，取1.225 kg/m³；H，B和L分别为列车的高度、宽度和长度，在计算头(尾)车和中车对应的六分力系数时采用的参考长度不同。

力矩除与以上参数有关以外，还与力矩矩心的位置有关。由于测力天平与测试车体内部的上顶面直接相连，测力天平的原点在各测试车体上表面连接件的形心位置。所有模型车和桥采用统一坐标系，坐标原点均在测力天平与模型的连接位置^[20]。

4  试验结果及分析

4.1  雷诺数的影响

考察雷诺数对高速列车(无风障)气动特性的影响，表2给出了10.0，12.5和15.0 m/s 3种试验风速下，列车分别位于迎风侧线路与背风侧线路时的气动系数。由表2可见：高速列车各气动系数在不同风速下个别数据存在较大差异，但大部分气动系数差异不明显。因为列车与简支箱梁形成一个更大的钝体结构，使得雷诺数对列车的气动性能影响不大。考虑到较低风速时模型所受风荷载相对较小、测试误差略大，故取风速为15.0 m/s时测试结果作为相应工况的实测值。

表2  列车气动系数(β为90°)

Table 2  Aerodynamic coefficients of train

4.2  风障高度对列车气动力影响

考察风障高度对桥上高速列车的挡风效果，图3所示为β=90°时不同风障高度下列车各气动系数曲线。

由图3可知：1) 与无风障时相比，桥梁上设置风障后，列车的六分力系数明显减小。气动系数减小的幅度受风障高度影响较大，但当风障增加到某一高度后基本不再随风障高度变化，减风效果不再明显；2) 当风障高度大于等于4 m时，列车的气动力系数减小幅度不大，列车的侧力、升力、侧倾力矩在风障大于等于3 m高时有上升趋势，而升力在风障高于4 m时有减小趋势。当风障高度超过4 m还增加高度，对提高行车安全性效果不太明显。3) 当风偏角为90°且风障高度小于等于3 m时，高速列车位于横桥向的不同位置时存在明显不同的气动干扰，其中迎风侧线路时车辆气动系数变化幅度较大，对桥上高速列车的气动特性影响显著；而背风侧线路时车辆风荷载变化幅度相对较小，对其气动特性影响不明显。迎风侧线路中车的侧力、升力、侧倾力矩系数变化比迎风侧线路头车、尾车的大，而其他系数变化的幅度较小。

图3  β为90°时列车气动系数随风障高度变化曲线

Fig. 3  Aerodynamic coefficients with height of wind barrier when β=90°

4.3  风障透风率对列车气动力影响

根据上述试验结果，初歩确认高度为4 m的风障最有利于列车的安全运行。考虑到风障自身结构安全和桥梁安全的影响，具有一定的透风率将更有利于风障-列车-桥的安全。图4所示为β=90°时同一风障高度(4 m)不同风障透风率下高速列车气动系数曲线。

由图4可知：1) 在同一风障高度下，随着透风率的增加，由于有更多的风作用在列车表面，因此列车六分力系数有增大的趋势；2) 当风偏角为90°时，列车各分力系数在迎风侧线路运行时总比在背风线路时大，即列车在桥梁上迎风侧运行时略为不利。迎风侧线路中车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数增加的幅度比迎风侧线路头车、尾车的大。迎风侧线路中车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数变化比迎风侧线路头车、尾车的大，而无论位于迎风侧线路或背风侧线路中车的阻力系数、仰俯力矩系数、侧偏力矩系数变化的幅度很小，对其气动特性影响不显著，且头车尾车出现对称现象；3) 当风障透风率大于等于30%时，桥上高速列车的各气动力系数增大，其中侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数增大幅度较大。当透风率超过30%后，风障的挡风效果不好，对提高行车安全性效果不利。

图4  β为90°时列车气动系数随风障透风率变化曲线

Fig. 4  Aerodynamic coefficients with ventilation rate of wind barrier when β=90°

4.4  风偏角对列车气动力影响

一般来说，迎风侧线路头车对风最为敏感，最易发生倾覆^[21-22]，行车安全由头车控制，因此风障设置主要考虑对头车的防风效果。根据前面风障气动选型试验的结果，初歩确认4 m高、30%透风率的风障最有利于列车的安全运行。为了进一歩确认风障气动选型后的风障对高速列车的挡风效果，图5所示为桥梁设置4 m，30%透风率风障时桥上高速列车随风偏角变化六分力系数变化。

图5  迎风侧头车的气动系数随风偏角变化曲线

Fig. 5  Aerodynamic coefficients with yaw angle of head train in windward side

分析图5可知：1) 随风偏角的变化，透风率为0%时车辆气动系数变化幅度较大且规律不明显，而其他透风率的分力系数曲线变化较为平缓；当风偏角为60°时，侧力、升力、侧倾力矩系数曲线均发生转折变化，因为列车对侧风的有效阻挡面积最大；2) 当风偏角小于40°时，4 m高，30%透风率的侧力系数、仰俯力矩系数、侧倾力矩系数、侧偏力矩系数比透风率为0%的变化小。当风偏角为90°时，0%透风率的各分力系数是最小的，说明当列车静止时0%透风率的风障挡风效果最好，且30%透风率与0%透风率的各分力系数相差不大。

5  风障挡风效果评价

风障防风效果的评价关键在于选择合适的评价指标^[23]。从力学的角度出发，通过解耦作用在车体上列车六分力，可以单独解出列车8个轮子的等效竖向力。由于测力天平的原点在各测试车体天平上表面形心，坐标轴在车体的上表面，力的方向与坐标轴保持一致，如图6所示(仅以仰俯力矩与侧力为例)。当力的方向为正值时为减载效应，当力的方向为负值时为加载效应。根据静力平衡原理可得车轮的等效竖向力：

 (7)

 (8)

 (9)

(10)

式中：△P₁，△P₃，△P₅和△P₇分别为1，3，5和7号车轮的等效竖向力；G为轨距；L₁为坐标原点到3(4，5和6)号车轮的距离；L₂为坐标原点到1(2，7和8)号车轮的距离。同理，2，4，6和8车轮的等效竖向力据此类推。

定义静力轮重减载率为车轮的等效竖向力与轮重的比值，即△P/P，其中P为列车的轮重^[19]。通过分析8个车轮的静力轮重减载率就可以判断不同风障工况下列车气动性能，进而可对风障挡风效果进行评估，选出合理的风障气动选型参数。CRH型高速列车为8辆编组总质量为380 t，每个轮重平均为59 375 N。以试验风速15.0 m/s为例研究不同风障工况下高速列车位于迎风侧线路时头车的静力轮重减载率的最大值估算见表3~4。

从表3~4可知：随着风障高度增加，8个轮子的静力轮重减载率均有减小的趋势；在一定风障高度下随着透风率的增加列车的8个轮子的静力轮重减载率均有增大的趋势。通过对比分析可以看出：无风障时最大静力轮重减载率为9.88%，4 m风障的最大静力轮重减载率为1.13%。当高度4 m、透风率30%风障在风偏角小于或等于20°时，透风率0%时的静力轮重减载率最大值比透风率30%时的小，说明无透风率风障挡风效果较好，而当风偏角大于20°时，透风率30%比透风率0%的静力轮重减载率最大值小，该风障也能达到较好的挡风效果。

图6  等效竖向力示意图

Fig. 6  Equivalent vertical force

表3  透风率为0%时不同风障高度时静力轮重减载率

Table 3  Static percent of wheel load with different heights and ventilation rate of 0%

表4  高度为4 m时不同风障透风率时静力轮重减载率

Table 4  Static percent of wheel load with different ventilation rates and height of 4 m

6  结论

1) 综合考虑列车与桥梁间的相互气动影响，自主研制了风障-车-桥模型试验装置，风障为可拆卸结构，该系统可改变风速、风偏角、测试对象及车辆和桥梁的相对位置、风障高度、透风率等系统参数。车桥模型装置除能模拟车辆与桥梁之间的气动作用外，还可以考虑风障(或声障)对车-桥的气动作用，且适当改造后可考虑模拟路基、线路周边建筑等各种环境因素。

2) 雷诺数效应对桥上高速列车气动力系数的影响较为有限，其规律不明显。考虑到较低风速时模型上的风荷载相对较小、测试误差略大，故取较高风速的测试结果较为合理。

3) 风障能有效改善强侧风作用下运行于桥上高速列车气动性能。桥梁上设置了风障后，高速列车的六分力系数明显减小，说明风障的设置对提高列车的行车安全性有显著的影响，因此，在强侧风的环境下，高速铁路桥梁加设风障挡风结构是保证列车运营安全的有效措施。列车在桥上横向位置的不同对其自身气动性能的影响，结果表明迎风侧的列车气动系数受风障影响普遍大于背风侧列车气动系数，即列车位于迎风侧线路运行时略为不利。

4) 高度与透风率是风障气动选型的主要参数。当风障增加到某一高度时各气动系数得到了有效减小且之后其挡风效果基本不再随高度变化。当风障高度超过4 m还继续增加高度，对提高行车安全性效果不太明显。考虑到风障自身结构安全和桥梁安全，具有一定的透风率将更有利于风障-车-桥的安全。随着风障透风率的增加，列车六分力系数都有增大的趋势，但当透风率为30%时，列车头车的各气动系数均较小，列车运行危险性较低。当风偏角为90°时列车中车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数是最大的，也从风洞试验的角度验证了二维CFD数值模拟时，风速入口条件只取风偏角为90°是偏于安全的。

5) 根据静力学的力矩平衡原理，以静力轮重减载率是评价风障挡风效果的关键参数。综合考虑到不同风障工况下的列车六分力系数，建议当风偏角较小(小于等于20°)时，可选取高4 m、透风率0%的风障较为合理。而当风偏角较大(大于20°)时，可选取高4 m、透风率30%的风障挡风效果较为理想。因此，风障的设置可根据高速铁路沿线的实际风速情况及既有线上的运营经验选择合理化风障气动选型参数。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-03-13；修回日期：2014-05-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51078356)；铁道部科技研究开发计划重大项目(2008G031-Q)(Project (51078356) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2008G031-Q) supported by the Major Project of Science and Technology Research and Development Plan of Ministry of Railway)

通信作者：郭文华，教授，博士生导师，从事桥梁结构振动与稳定、风工程研究；E-mail：whguo@126.com